一種數字電位器器控制的4-20mA電流環電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于新型電路技術領域，涉及一種使用數字電位器控制4-20mA電流環電路。
【背景技術】
[0002]現有的許多工業儀器儀表都含有4_20mA電流輸出功能，4_20mA電流輸出可以將所測到的物理量進行遠距離傳輸，并且還具有很強的抗干擾能力，便于對儀表的工作狀態進行實時監控。
[0003]目前，微處理器數字控制的4_20mA電流環電路主要有兩種實現方式:D/A轉換方式和PWM轉換方式。但是當前的許多微處理器是不包含DAC的，即使有些微處理器內部集成了 DAC，其精度通常不能滿足實際需求，而且無法實現電氣隔離，如果再外接的DAC芯片，不僅會大大地增加成本，而且在并行數據輸出時，需要占用微處理器大量的I/O端口，在進行電氣隔離時，會導致電路結構復雜，電路面積較大；而在實際的應用中，PWM轉換方式的線性度也并不是很理想。
[0004]針對上述背景內容，研宄一種性能穩定、結構簡單且價格低廉的4_20mA電流環電路，從而應用到工業儀器儀表中，具有重要的意義。
【發明內容】
[0005]為了更好地解決以上的問題，本發明采用了一種數字電位器將數字量轉換為電阻值，進而控制4-20mA電流信號的輸出。
[0006]本發明所采用的技術方案是:
[0007]—種數字電位器器控制的4_20mA電流環電路，光電親合器Ul、U2和U3的輸入端分別接收微處理器發送的數字電位器的片選信號、時鐘信號和數據輸入信號，而光電耦合器Ul、U2和U3的輸出端直接與數字電位器U4的控制端和參考電壓電路相連，實現數字電位器U4與微處理器的電氣隔離，保證了微處理器不會受到損壞。
[0008]所述的參考電壓電路中，工業直流電源+24V經二極管Dl和R4與穩壓二極管Ql陰極相連，二極管Dl防止電源的反向接入，保證電路安全。穩壓二極管Ql陰極輸出的2.5V經由運算放大器U5A、R5和R6構成的同相比例運算電路放大兩倍獲得5V，再經過由U5B和RlO構成的射極跟隨器，這樣提高了整個參考電壓電路的帶負載能力，以便為其他功能電路提供穩定的5V電壓源。
[0009]所述的數字電位器U4的電源正引腳和高電位端均連接參考電壓電路，數字電位器U4的低電位端經電阻Rll接地，保證最低輸出電流為4mA。數字電位器U4的抽頭輸出端經由運算放大器U5C和電阻R12構成的射極跟隨器與4-20mA電流環電路控制端連接。其中，運算放大器U?的反相輸入端作為4-20mA電流環電路的負輸出端，三極管Q2的發射極作為4-20mA電流環電路的正輸出端。
[0010]本發明結構簡單，數字控制輸出I/O 口線少易于實現電氣隔離，并且線性度好、精度高、價格低廉、可靠性高，可廣泛應用于各種工業儀器儀表。
【附圖說明】
[0011]附圖為一種數字電位器控制的4-20mA電流環電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和具體實施例詳細闡述本發明。
[0013]實施例，如附圖所示，數字電位器控制的4_20mA電流環電路包括:3個光電耦合器Ul、U2和U3，數字電位器U4，四運算放大器集成電路U5，二極管Dl，穩壓二極管Ql，三極管Q2，電解電容Cl，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和電阻R14。其中，光電耦合器Ul和光電耦合器U3的型號是TLP112，光電耦合器U3的型號為TLP181，數字電位器U4的型號是MCP41010，四運算放大器集成電路U5的型號是LM2902，其包含四個運算放大器U5A、U5B、U5C及U5D。
[0014]光電耦合器Ul、U2和U3的輸入陰極分別連接微處理器輸出的控制數字電位器的片選信號、時鐘信號和數據輸入信號，光電耦合器Ul的輸入陽極經電阻Rl與3.3V電源連接，光電親合器Ul的輸出集電極經電阻R7與參考電壓電路和數字電位器相連，光電親合器Ul的輸出發射極接地；光電耦合器U2的輸入陽極經電阻R2與3.3V電源連接，光電耦合器U2的輸出集電極經電阻R8與參考電壓電路和數字電位器相連，光電親合器U2的輸出發射極接地；光電耦合器U3的輸入陽極經電阻R3也與3.3V電源連接，光電耦合器U3的輸出集電極經電阻R9與參考電壓電路和數字電位器相連，光電耦合器U3的輸出發射極接地；數字電位器U4與運算放大器U5C的正相輸入端相連，電阻R12跨接在運算放大器U5C的反相輸入端與輸出端之間，運算放大器U5C的輸出端與運算放大器TOD的正相輸入端連接，運算放大器U5D的反相輸入端連接電阻R14的一端，并作為4-20mA電流環電路的負輸出端，電阻R14的另一端接地，運算放大器U5D的輸出端連接電阻R13的一端，電阻R13的另一端接入三極管Q2的基極，三極管Q2的集電極與二極管Dl的陰極連接，三極管Q2的發射極作為4-20mA電流環電路的正輸出端。
[0015]參考電壓電路的二極管Dl的陽極連接+24V，其陰極經電解電容Cl接地，并連接到R4的一端，電阻R4的另一端與穩壓二極管Ql的陰極、運算放大器U5A的正相輸入端和數字電位器的高電位端相連，穩壓二極管Ql的陽極接地，運算放大器U5A的反相輸入端連接電阻R6的一端，并且經電阻R5接地，運算放大器U5A的輸出端連接R6的另一端和運算放大器U5B的正相輸入端，并分別經電阻R7、R8和R9與光電耦合器Ul、U2和U3的輸出集電極相連，電阻RlO跨接在運算放大器U5B的反相輸入端和輸出端之間，運算放大器U5B的輸出端與數字電位器的供電引腳相連。
[0016]數字電位器U4的片選引腳、時鐘引腳和數據輸入引腳分別與光電耦合器U1、U2和U3的輸出集電極連接，數字電位器U4的電源正引腳連接參考電壓電路中的運算放大器U5A的輸出端，數字電位器U4的高電位端與穩壓二極管Ql的陰極相連，數字電位器U4的低電位端經電阻Rll接地。
[0017]本具體實施方案的前端采用數字信號傳輸模式設計，代表物理量的數字信號具有較強的抗干擾能力，且易于實現光電耦合；光電耦合器使得信號現場與主控制端在電氣上實現隔離，避免了主控制系統受到損壞，并且可將本發明制作成獨立于主控制端的電路板，方便使用；基準電壓電路為系統的各個模塊提供了高穩定性的電源；由于4-20mA電流環電路采用了數字電位器進行控制，而不是采用傳統的DAC或PWM轉換方式，進而提高了整個系統電路的精簡度和高效性。本發明可以應用在具有微處理器控制4-20mA電流輸出功能的工業儀器儀表中。
【主權項】
1.一種數字電位器控制的4_20mA電流環電路，包括光電親合器U1、光電親合器U2、光電耦合器U3，數字電位器U4，四運算放大器集成電路U5A、U5B、U5C和U5DU5，二極管Dl，穩壓二極管Ql，三極管Q2，電解電容Cl，電阻R1-R14 ;其特征在于， 光電親合器Ul、光電親合器U2和光電親合器U3的輸入端分別接收微處理器發送的數字電位器的片選信號、時鐘信號和數據輸入信號，而光電親合器Ul、U2和U3的輸出端直接與數字電位器U4的控制端和參考電壓電路相連，實現數字電位器U4與微處理器的電氣隔離；光電耦合器Ul的輸入陽極經電阻Rl與3.3V電源連接，光電耦合器Ul的輸出集電極經電阻R7與參考電壓電路和數字電位器相連，光電親合器Ul的輸出發射極接地；光電親合器U2的輸入陽極經電阻R2與3.3V電源連接，光電耦合器U2的輸出集電極經電阻R8與參考電壓電路和數字電位器相連，光電親合器U2的輸出發射極接地；光電親合器U3的輸入陽極經電阻R3也與3.3V電源連接，光電耦合器U3的輸出集電極經電阻R9與參考電壓電路和數字電位器相連，光電耦合器U3的輸出發射極接地； 數字電位器U4與運算放大器U5C的正相輸入端相連，電阻R12跨接在運算放大器U5C的反相輸入端與輸出端之間，運算放大器U5C的輸出端與運算放大器U5D的正相輸入端連接，運算放大器U5D的反相輸入端連接電阻R14的一端，并作為4-20mA電流環電路的負輸出端，電阻R14的另一端接地，運算放大器U5D的輸出端連接電阻R13的一端，電阻R13的另一端接入三極管Q2的基極，三極管Q2的集電極與二極管Dl的陰極連接，三極管Q2的發射極作為4-20mA電流環電路的正輸出端； 參考電壓電路的二極管Dl的陽極連接+24V，其陰極經電解電容Cl接地，并連接到R4的一端，電阻R4的另一端與穩壓二極管Ql的陰極、運算放大器U5A的正相輸入端和數字電位器的高電位端相連，穩壓二極管Ql的陽極接地，運算放大器U5A的反相輸入端連接電阻R6的一端，并且經電阻R5接地，運算放大器U5A的輸出端連接R6的另一端和運算放大器U5B的正相輸入端，并分別經電阻R7、R8和R9與光電耦合器Ul、U2和U3的輸出集電極相連，電阻RlO跨接在運算放大器U5B的反相輸入端和輸出端之間，運算放大器U5B的輸出端與數字電位器的供電引腳相連。2.根據權利要求1所述的4-20mA電流環電路，其特征在于，所述的控制數字電位器的片選信號、時鐘信號和數據輸入信號均由微處理器產生。
【專利摘要】一種數字電位器器控制的4-20mA電流環電路，光電耦合器U1、U2和U3的輸入端分別接收微處理器發送的數字電位器的片選信號、時鐘信號和數據輸入信號，而光電耦合器U1、U2和U3的輸出端直接與數字電位器U4的控制端和參考電壓電路相連，實現數字電位器U4與微處理器的電氣隔離，保證了微處理器不會受到損壞。本發明克服了現有技術存在的問題，優化了電路，并且提高了電路的線性度和精度，減小了電路板面積、降低了電路功耗，提高了抗干擾能力，易于電氣隔離，節約了生產成本，可以廣泛地適用于各種工業儀器儀表當中。
【IPC分類】G05B19/04
【公開號】CN104991471
【申請號】CN201510264169
【發明人】魏東興, 夏明
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年5月21日